多层平面高频变压器的频率特性
2009-03-06 10:24:58
来源：《国际电子变压器》2009年3月刊
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1 引言
为了适应现代电子设备小型、轻薄、便携等使用的要求，以及现代电子设备组装工艺如 SMT 的要求，一些传统型磁性元器件正在被多种轻小型平面磁性元器件替代。使用与实验表明，平面型结构的磁性元器件有诸多优点，诸如体积小、热传导性能优良，在高功率密度下工时具有较小的功率损耗，适合使用 SMT 工艺等。
为了一次性精确设计出性能优良的高频磁性元器件，需要对其漏感、绕组的分布电容、趋肤效应和邻近效应等寄生参数进行计算。目前，对其中的叠层变压器、矩阵变压器、圆形螺旋线圈薄膜变压器等磁性元件已经具有了比较成熟的计算方法。本文讨论两种平面多层带气隙变压器的设计，首先，电路模型设计以频率特性关系为前提，假设磁性材的频率特性是线性的，没有磁滞效应，因此，不需要区分输入电压的性质。其次，线圈内的磁通分布是必须考虑的，以便于确定如何才能有效地利用磁心所需材料的用量，以及如何使磁通分布均匀。涡流分布方面的知识有助于计算线圈的铜损和磁心材料内的涡流损耗。
本文所讨论的器件在设计制造中采用的是 TDK 公司的 MnZn 铁氧体材料。将它们用于高频平面磁性元件中，以研究它们的电感值和电压比与频率之间的特性关系；同时，文章研究了两种不同绕组结构的磁通分布和涡流分布状态，并采用边界单元法编制了 CAD、CAE 软件和用其计算了有关数值。
2 平面多层高频变压器结构和计算模型
工作频率接近于 1MHz 的高频直流变换器需要几微亨的电感值。应用于高频率的电感器结构，最常见的是具有开路、闭路或螺旋结构的多层磁路。本文实验用样品的初级和次级线圈的匝数相同，Ⅰ型样品为 3 匝，Ⅱ型样品为 1 匝。磁心材料为铁氧体，磁心尺寸为 17.6×17.6×20(mm3)。图 1 所示螺旋型绕组结构，其磁心结构是基本开路型。为了计算方便，假设它们是一种二维轴对称的无界结构，如图 2 所示。在设计计算中，必须考虑铁氧体材料、绝缘材料和线圈材料的性能与参数，如磁导率、介电常数、电导率等等参数，然后采用边界单元法（BEM）借助于 PC 机的 CAD/CAE 软件即可计算出要求的数值。
3 电感值与频率的特性关系
图 3 示出了具有螺旋型绕组结构的平面磁性器件的电感值与频率的特性关系之实验结果。图 3 所示特性曲线是采用 HP4285A 精密 LCR 测试仪，在 100kHz~1MHz 的频率范围内测得的结果。由于磁心材料的磁导率随着频率的增高而降低，所以电感值 L 也随着频率的增高而降低。
4 电压比与频率的特性关系
以下讨论在没有负载的情况下，输入和输出电压比与频率的特性关系。图 4 所示为开路平面磁心结构的电压比，表明它们具有频率特性关系。其关系类似于采用闭合磁心结构的薄膜微型变压器的频率特性关系的结果。测试也显示出Ⅰ型变压器的电压比相对保持稳定，而Ⅱ型变压器在 5MHz 处有一个峰值。磁耦合强度在低频状况是相当小的，因此，电压比是不等于绕组匝数比的，即 Nout/Nin≠Vout/Vin。
5 频率在 1MHz 时，变压器中的磁通分布
笔者在设计变压器时，计算了磁心和绕组内的谐波磁场分布，分析显示出变压器结构内部尤其在绕组周围存在大量的边界成分。图 5 表示在初级绕组励磁，次级绕组开路的状态之下的磁通计算结果。这种结构计算的数值表明，平面开路磁心结构内部的磁通分布与传统的磁心结构中的磁通分布情况是不相同的，该磁通是由次级绕组中感生的涡流产生的。图 5(a) 所示为泄漏出铁氧体磁心的磁通分布，该泄漏的磁场将产生电磁干扰（EMI），它们会给电子设备设计带来许多问题。图 5(b) 所示为没有泄漏磁场的状态。
6 在频率为 1MHz 时，变压器的涡流分布情况
变压器在高频工作时，涡流损耗是绕组和磁心共同存在的严重问题。实验表明，在平面型磁心结构中，邻近效应的影响往往比趋肤效应的影响更为严重，图 6 示出了其数值计算的结果。在设计计算时，励磁电流加在初级绕组上，次级绕组开路。由图 6 可以看出，绕组结构对涡流分布的影响是十分敏感的。
7 实验结果及问题分析
文章叙述了两种平面型带气隙高频变压器的频率特性、磁通分布和涡流分布的实验和计算结果，初级线圈接 100kHz~1MHz 的正弦电流电源，次级线圈开路。从次级、初级电压比和绕组匝数比的不相等，可以表明其磁耦合是相当弱的。计算结果证明了平面型开路磁心结构中的磁通分布和涡流分布与传统型变压器磁路结构是不同的，用边界单元法的 CAD/CAE 程序得出了计算结果。
平面型带气隙高频变压器的未来研究与发展，主要要解决磁路系统的最佳设计问题。这些问题包括：要求磁路有一定的磁耦合系数，较理想的热传导材料，具有高的抗EMI 能力以及包括磁滞效应在内的损耗计算等等。
（参考资料略）
为了适应现代电子设备小型、轻薄、便携等使用的要求，以及现代电子设备组装工艺如 SMT 的要求，一些传统型磁性元器件正在被多种轻小型平面磁性元器件替代。使用与实验表明，平面型结构的磁性元器件有诸多优点，诸如体积小、热传导性能优良，在高功率密度下工时具有较小的功率损耗，适合使用 SMT 工艺等。
为了一次性精确设计出性能优良的高频磁性元器件，需要对其漏感、绕组的分布电容、趋肤效应和邻近效应等寄生参数进行计算。目前，对其中的叠层变压器、矩阵变压器、圆形螺旋线圈薄膜变压器等磁性元件已经具有了比较成熟的计算方法。本文讨论两种平面多层带气隙变压器的设计，首先，电路模型设计以频率特性关系为前提，假设磁性材的频率特性是线性的，没有磁滞效应，因此，不需要区分输入电压的性质。其次，线圈内的磁通分布是必须考虑的，以便于确定如何才能有效地利用磁心所需材料的用量，以及如何使磁通分布均匀。涡流分布方面的知识有助于计算线圈的铜损和磁心材料内的涡流损耗。
本文所讨论的器件在设计制造中采用的是 TDK 公司的 MnZn 铁氧体材料。将它们用于高频平面磁性元件中，以研究它们的电感值和电压比与频率之间的特性关系；同时，文章研究了两种不同绕组结构的磁通分布和涡流分布状态，并采用边界单元法编制了 CAD、CAE 软件和用其计算了有关数值。
2 平面多层高频变压器结构和计算模型
工作频率接近于 1MHz 的高频直流变换器需要几微亨的电感值。应用于高频率的电感器结构，最常见的是具有开路、闭路或螺旋结构的多层磁路。本文实验用样品的初级和次级线圈的匝数相同，Ⅰ型样品为 3 匝，Ⅱ型样品为 1 匝。磁心材料为铁氧体，磁心尺寸为 17.6×17.6×20(mm3)。图 1 所示螺旋型绕组结构，其磁心结构是基本开路型。为了计算方便，假设它们是一种二维轴对称的无界结构，如图 2 所示。在设计计算中，必须考虑铁氧体材料、绝缘材料和线圈材料的性能与参数，如磁导率、介电常数、电导率等等参数，然后采用边界单元法（BEM）借助于 PC 机的 CAD/CAE 软件即可计算出要求的数值。
3 电感值与频率的特性关系
图 3 示出了具有螺旋型绕组结构的平面磁性器件的电感值与频率的特性关系之实验结果。图 3 所示特性曲线是采用 HP4285A 精密 LCR 测试仪，在 100kHz~1MHz 的频率范围内测得的结果。由于磁心材料的磁导率随着频率的增高而降低，所以电感值 L 也随着频率的增高而降低。
4 电压比与频率的特性关系
以下讨论在没有负载的情况下，输入和输出电压比与频率的特性关系。图 4 所示为开路平面磁心结构的电压比，表明它们具有频率特性关系。其关系类似于采用闭合磁心结构的薄膜微型变压器的频率特性关系的结果。测试也显示出Ⅰ型变压器的电压比相对保持稳定，而Ⅱ型变压器在 5MHz 处有一个峰值。磁耦合强度在低频状况是相当小的，因此，电压比是不等于绕组匝数比的，即 Nout/Nin≠Vout/Vin。
5 频率在 1MHz 时，变压器中的磁通分布
笔者在设计变压器时，计算了磁心和绕组内的谐波磁场分布，分析显示出变压器结构内部尤其在绕组周围存在大量的边界成分。图 5 表示在初级绕组励磁，次级绕组开路的状态之下的磁通计算结果。这种结构计算的数值表明，平面开路磁心结构内部的磁通分布与传统的磁心结构中的磁通分布情况是不相同的，该磁通是由次级绕组中感生的涡流产生的。图 5(a) 所示为泄漏出铁氧体磁心的磁通分布，该泄漏的磁场将产生电磁干扰（EMI），它们会给电子设备设计带来许多问题。图 5(b) 所示为没有泄漏磁场的状态。
6 在频率为 1MHz 时，变压器的涡流分布情况
变压器在高频工作时，涡流损耗是绕组和磁心共同存在的严重问题。实验表明，在平面型磁心结构中，邻近效应的影响往往比趋肤效应的影响更为严重，图 6 示出了其数值计算的结果。在设计计算时，励磁电流加在初级绕组上，次级绕组开路。由图 6 可以看出，绕组结构对涡流分布的影响是十分敏感的。
7 实验结果及问题分析
文章叙述了两种平面型带气隙高频变压器的频率特性、磁通分布和涡流分布的实验和计算结果，初级线圈接 100kHz~1MHz 的正弦电流电源，次级线圈开路。从次级、初级电压比和绕组匝数比的不相等，可以表明其磁耦合是相当弱的。计算结果证明了平面型开路磁心结构中的磁通分布和涡流分布与传统型变压器磁路结构是不同的，用边界单元法的 CAD/CAE 程序得出了计算结果。
平面型带气隙高频变压器的未来研究与发展，主要要解决磁路系统的最佳设计问题。这些问题包括：要求磁路有一定的磁耦合系数，较理想的热传导材料，具有高的抗EMI 能力以及包括磁滞效应在内的损耗计算等等。
（参考资料略）
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